Thực đơn
Entropy
Khó khăn trong việc đưa ra một định nghĩa chính xác về entropy của một hệ chính là việc entropy không có tính bảo toàn. Đại lượng này có thể tăng một cách đột ngột trong một quá trình không thuận nghịch. Thật vậy, theo định luật thứ hai của nhiệt động học, entropy của một hệ cô lập không thể giảm, mà chỉ có thể tăng hoặc giữ nguyên giá trị trong trường hợp quá trình biến đổi là thuận nghịch.
Một sự biến đổi mang tính thuận nghịch trong nhiệt động học khi nó mang tính 'gần cân bằng' và không gây ra ma sát dẫn đến sự thoát nhiệt nào. Trong những điều kiện như trên, sự biến đổi của hệ có thể coi như cấu thành từ một loạt các trạng thái cân bằng liên tiếp. Nếu chúng ta đảo ngược những điều kiện của môi trường bên ngoài - yếu tố ảnh hưởng đến sự biến đổi của hệ, ta sẽ quay ngược lại trạng thái ban đầu qua những trạng thái cân bằng y hệt như trên nhưng theo thứ tự ngược lại. Sở dĩ có điều này là vì không có hiện tượng thất thoát (nhiệt, vật chất..) Vì thế, ta có thể mô phỏng được sự biến đổi của hệ và mô tả chính xác trạng thái cân bằng của hệ ở từng thời điểm.
Vì những giả thiết đã đặt ra như trên, những biến đổi mang tính thuận nghịch được coi là một mô hình lý tưởng (giống như mô hình khí lý tưởng, khi chúng ta giả thiết rằng không có sự va chạm giữa các phân tử khí với nhau). Từ mô hình này, chúng ta có thể miêu tả những quá trình biến đổi thực bằng cách đảm bảo rằng những quá trình đó được thực hiện với tốc độ rất chậm, sự tác động làm mất cân bằng của các hàm trạng thái là rất ít và ma sát cũng được giảm thiểu tối đa.
Ngược lại, một sự biến đổi được coi là không thuận nghịch nếu như không thỏa mãn những điều kiện như ở trên. Điều này giống như trường hợp quả trứng bị vỡ khi va chạm với sàn nhà cứng: chúng ta có thể thấy nếu sự biến đổi là thuận nghịch: quả trứng sẽ tự ghép các mảnh vỡ lại rồi bay lên trên không, trở về trạng thái ban đầu. Ở ví dụ này, chúng ta thấy có sự thể hiện của mũi tên thời gian.
Những sự biến đổi trong thực tế thường là những biến đổi không thuận nghịch do luôn có sự thất thoát, và mất trong nhiều môi trường khác nhau. Do đó mà hệ không bao giờ trở về một cách tức thời về trạng thái ngay trước đó. Năng lượng bị mất của hệ dưới dạng nhiệt lượng sẽ đóng góp vào sự gia tăng của sự 'hỗn loạn' chung. Mà sự 'hỗn loạn' lại được đo bằng hàm trạng thái entropy, ký hiệu là S được giới thiệu thông qua định luật thứ hai của nhiệt động học.
Nếu như định luật thứ nhất là định luật bảo toàn năng lượng của hệ thì định luật thứ hai là định luật về sự biến đổi của hệ: Tất cả các sự biến đổi thực đều được thực hiện với sự tăng lên của sự 'hỗn loạn' chung (bao gồm hệ + môi trường ngoài); sự hỗn loạn được đo bằng entropy. Ở đây, chúng ta nói rằng có sự tăng entropy.
Phương trình của định luật thứ hai mô tả sự tăng entropy:
Δ S chung = S tạo ra = Δ S hệ + Δ S môi trường ngoài > 0 {\displaystyle \Delta S_{\text{chung}}=S_{\text{tạo ra}}=\Delta S_{\text{hệ}}+\Delta S_{\text{môi trường ngoài}}>0}
Trong trường hợp biến đổi là lý tưởng (thuận nghịch), không có sự tạo ra entropy:
S tạo ra = Δ S hệ + Δ S môi trường ngoài = 0 {\displaystyle S_{\text{tạo ra}}=\Delta S_{\text{hệ}}+\Delta S_{\text{môi trường ngoài}}=0}
Nhiệt động học cổ điển định nghĩa entropy như một đại lượng mang 'tính cộng được', điều này có nghĩa là chúng ta có thể thu được entropy của hệ bằng cách cộng toàn bộ entropy thành phần (ngược lại, nhiệt độ không mang 'tính cộng được' vì nhiệt độ của hệ không bằng tổng nhiệt độ các thành phần)
Khi tất cả các biến đổi là thuận nghịch, chúng ta có thể mô tả entropy như một đại lượng được bảo toàn. Do có thể được truyền từ hệ này qua hệ khác hoặc ra môi trường bên ngoài, entropy được coi như một loại 'tiền xu' trao đổi. Đơn vị của entropy là Joule trên Kelvin, ký hiệu J.K−1, thể hiện lượng entropy lấy được bởi hệ khi hệ nhận được 1 Joule nhiệt lượng trên độ Kelvin. Tổng quát hóa, khi hệ nhận được δQ joule nhiệt lượng trong một quá trình thuận nghịch vi mô ở nhiệt độ T, entropy của nó tăng:
Δ S = ∫ δ Q thuận nghịch T {\displaystyle \Delta S=\int {\frac {\delta Q_{\text{thuận nghịch}}}{T}}} .
Từ đây, với một biến đổi thuận nghịch được thực hiện ở nhiệt độ T không đổi: Δ S hệ = Q thuận nghịch T {\displaystyle \Delta S_{\text{hệ}}={\frac {Q_{\text{thuận nghịch}}}{T}}}
Entropy là một hàm trạng thái, nghĩa là chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và cuối của hệ mà không phụ thuộc vào cách thức biến đổi giữa hai trạng thái này.Do entropy của một thể đồng chất, ở không độ Kelvin, bằng không do hệ hoàn toàn 'có trật tự' (ngược lại với một hệ hỗn loạn), chúng ta có thể xây dựng một thang đo tuyệt đối cho entropy.
Nếu như biến đổi không thuận nghịch, nhiệt lượng sử dụng trở thành Q(không thuận nghịch) vì nhiệt lượng phụ thuộc vào cách thức biến đổi giữa hai trạng thái đầu và cuối. Hơn nữa, chúng ta đã thấy ở trên rằng sự biến đổi không thuận nghịch sinh ra entropy và tổng entropy sẽ dương:
Δ S hệ + Δ S môi trường ngoài > 0 {\displaystyle \Delta S_{\text{hệ}}+\Delta S_{\text{môi trường ngoài}}>0}
Mà môi trường ngoài nhận vào nhiệt lượng cung cấp bởi hệ Q(không thuận nghịch) và nhiệt lượng đổi dấu (dấu có tình đại số theo quy ước) -Q(không thuận nghịch).
Sự biến thiên entropy của môi trường ngoài do đó bằng: Δ S môi trường ngoài = − Q không thuận nghịch T {\displaystyle \Delta S_{\text{môi trường ngoài}}=-{\frac {Q_{\text{không thuận nghịch}}}{T}}}
Tổng entropy trở thành: Δ S hệ − Q không thuận nghịch T > 0 {\displaystyle \Delta S_{\text{hệ}}-{\frac {Q_{\text{không thuận nghịch}}}{T}}>0}
Từ đây, chúng ta thu được bất đẳng thức xây dựng bởi Clausius cho những biến đổi không thuận nghịch:
Δ S hệ > Q không thuận nghịch T {\displaystyle \Delta S_{\text{hệ}}>{\frac {Q_{\text{không thuận nghịch}}}{T}}}
Ở nhiệt độ T, xét một biến đổi của hệ từ trạng thái nhiệt động học ban đầu, ký hiệu là A đến trạng thái cân bằng cuối cùng, ký hiệu là B.
Sự biến thiên entropy của hệ gây ra do sự biến đổi này, có thể được viết như sau: ΔS(hệ) = S(B) – S(A)
Chúng ta có thể tiến hành biến đổi này một cách thuận nghịch hoặc không thuận nghịch. Sự biến thiên của entropy là giống nhau trong cả hai trường hợp. Ngược lại, nhiệt năng Q và công năng W do phụ thuộc vào cách thức biến đổi và do đó, chúng ta có: Q(thuận nghịch) ≠ Q(không thuận nghịch) và W(thuận nghịch) ≠ W(không thuận nghịch).
Áp dụng định luật thứ hai:
* Δ S hệ = S ( B ) − S ( A ) = Q thuận nghịch T {\displaystyle \Delta S_{\text{hệ}}=S(B)-S(A)={\frac {Q_{\text{thuận nghịch}}}{T}}}
Δ S hệ = S ( B ) − S ( A ) > Q không thuận nghịch T {\displaystyle \Delta S_{\text{hệ}}=S(B)-S(A)>{\frac {Q_{\text{không thuận nghịch}}}{T}}}
Do đó, Q thuận nghịch > Q không thuận nghịch {\displaystyle Q_{\text{thuận nghịch}}>Q_{\text{không thuận nghịch}}}
Áp dụng định luật thứ nhất về bảo toàn nội năng U:
Δ U hệ = U ( B ) − U ( A ) = W thuận nghịch + Q thuận nghịch = W không thuận nghịch + Q không thuận nghịch {\displaystyle \Delta U_{\text{hệ}}=U(B)-U(A)=W_{\text{thuận nghịch}}+Q_{\text{thuận nghịch}}=W_{\text{không thuận nghịch}}+Q_{\text{không thuận nghịch}}}
Trong một hệ (máy nhiệt, máy điện,...) mà chức năng chủ yếu là sản sinh ra công năng cho môi trường bên ngoài, công năng sinh ra được tính âm theo quy ước về dấu: W < 0
Do đó mà chúng ta cần tính đến giá trị tuyệt đối của công sinh ra và bất đẳng thức đảo ngược như sau:
| W thuận nghịch | > | W không thuận nghịch | {\displaystyle \left|W_{\text{thuận nghịch}}\right|>\left|W_{\text{không thuận nghịch}}\right|}
Do vậy, công sinh ra bởi hệ càng lớn nếu như biến đổi càng thuận nghịch.
Lưu ý:
- Ma sát là thành tố chủ yếu gây ra sự không thuận nghịch, do đó, cần phải làm giảm ma sát. Đó là mục đích của việc bôi trơn dầu mỡ tại những chi tiết có sự tương tác cơ học.
- Vận tốc cũng là một thành tố gây ra sự không thuận nghịch: chiếc xe ô tô càng đi nhanh bao nhiêu thì năng lượng sẽ tiêu tốn nhiều bấy nhiêu. Do đó với cùng một lượng xăng, ô tố đi càng nhanh thì quãng đường đi được càng ít.
- Pin điện cung cấp nhiều điện năng hơn khi quá trình chuyển đổi năng lượng của nó, từ hóa năng sang điện năng, càng gần với một biến đổi mang tính thuận nghịch.
Thực đơn
EntropyLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: Entropy